铜镍中间层优化Ti-6Al-4V/Ni-Ti异质结构界面性能的电弧定向能量沉积研究

为解决Ti-6Al-4V/Ni-Ti异质结构中脆性Ti-Ni金属间化合物(IMCs)导致的界面强度下降问题，研究人员采用电弧定向能量沉积技术(Wire-Arc DED)引入Cu-Ni中间层，成功抑制Ti-Ni IMCs生成并形成Ti-Cu和Ti-Ni-Cu相，使界面显微硬度达570 HV0.2 ，拉伸强度提升至279.9±15 MPa。该策略为航空航天领域异质材料界面优化提供了新方案。

　　

在航空航天领域，钛合金（Ti-6Al-4V）与镍钛合金（Ni-Ti）的异质结构结合能充分发挥两者优势，但界面处易形成脆性Ti-Ni金属间化合物（IMCs），导致应力集中和连接强度骤降。这一“界面脆化”难题长期制约着高性能复合材料的应用。传统钎焊或扩散焊工艺难以精准调控界面反应，而新兴的增材制造技术为解决该问题提供了新思路。

中国的研究团队在《Materials Characterization》发表论文，创新性地采用电弧定向能量沉积（Wire-Arc DED）技术，在Ti-6Al-4V与Ni-Ti之间引入Cu-Ni复合中间层，通过原位合金化调控界面反应路径。研究显示，Cu的介入使界面IMCs类型从单一的Ti-Ni转变为韧性更好的Ti-Cu和Ti-Ni-Cu三元相，界面显微硬度达到570 HV_0.2
，构建的异质结构墙体平均极限抗拉强度为279.9±15 MPa，延伸率保持在5.6±2%，显著优于传统工艺。

关键技术包括：（1）多丝材同步送丝的Wire-Arc DED系统实现Cu-Ni中间层的梯度沉积；（2）同步热-力耦合模拟优化沉积路径；（3）电子背散射衍射（EBSD）和透射电镜（TEM）表征界面相组成；（4）显微硬度仪和万能试验机测试力学性能。

研究结果部分：

1. 界面微观结构调控：能谱分析证实Cu-Ni层使Ti-Ni IMCs厚度减少62%，Ti₂
   Cu和(Ti,Ni)₃
   Cu₄
   相成为主导，缓解了应力集中。
2. 力学性能提升：纳米压痕测试显示过渡区弹性模量梯度变化，界面结合强度提高37%。
3. 断裂机制转变：断口分析表明裂纹扩展路径从沿晶断裂转为穿晶断裂，印证了韧性的改善。

结论指出，该策略通过“反应相设计”实现了异质界面性能的主动调控，为航天发动机耐高温部件、可变形机翼铰链等关键部件的制造提供了新范式。讨论部分强调，Cu-Ni中间层的“缓冲效应”和Wire-Arc DED的“原位冶金”特性是突破传统界面工程瓶颈的核心，未来可扩展至其他难焊金属组合的增材制造。